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HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部

HORIBA | 前沿用戶(hù)報(bào)道 | 中科大:突破二維鐵電器件化應(yīng)用瓶頸

時(shí)間:2022-11-23 閱讀:927
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研究背景及結(jié)果


近期二維鐵電材料所具有的面內(nèi)或面外鐵電性已在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí),為開(kāi)發(fā)原子尺度的功能電子器件提供了機(jī)遇。然而要實(shí)現(xiàn)二維鐵電材料的器件化應(yīng)用,關(guān)鍵步驟在于如何有效地進(jìn)行鐵電極化及鐵電疇結(jié)構(gòu)的大規(guī)模均勻調(diào)控。但現(xiàn)階段在二維材料極限厚度下利用外電場(chǎng)進(jìn)行鐵電疇工程的方法,不可避免地導(dǎo)致大的漏電流甚至材料擊穿等問(wèn)題。


近日中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)研究中心曾華凌教授和云南師范大學(xué)付召明副教授,利用機(jī)械調(diào)控手段(撓曲電效應(yīng)),在無(wú)外電場(chǎng)條件下,成功實(shí)現(xiàn)對(duì)二維鐵電材料(CulnP2S6)構(gòu)建大尺度均勻人工鐵電疇,其單疇橫向尺寸可達(dá)數(shù)百微米。這項(xiàng)研究不僅為二維鐵電材料電極化調(diào)控提出了一種普適途徑,也體現(xiàn)出原子尺度二維鐵電材料未來(lái)應(yīng)用于柔性電子器件開(kāi)發(fā)及大規(guī)模生產(chǎn)潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nano Letters。



實(shí)驗(yàn)思路


對(duì)鐵電極化進(jìn)行撓曲電調(diào)控的關(guān)鍵在于施加足夠大的應(yīng)變梯度,而應(yīng)變梯度往往與材料的維度和尺寸成反比。得益于二維層狀鐵電材料所具有的良好柔性,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在襯底應(yīng)力工程在少層CulnP2S6中引入了高曲率的形變,從而實(shí)現(xiàn)了巨大的局域應(yīng)變梯度(~106 m-1)。


利用原位壓電力顯微鏡(PFM)的測(cè)量,他們觀察到了體系中形成了條紋狀的鐵電疇,且形成的條紋疇具有極高的空間均勻性。這一結(jié)果表明,襯底應(yīng)力工程在納米尺度下可有效地調(diào)節(jié)CulnP2S6樣品中整體的極化狀態(tài)。借助這種撓曲電效應(yīng),人工條紋疇可以在數(shù)百微米的尺度上生成。在這項(xiàng)研究中,由于CulnP2S6中的條紋疇源于應(yīng)力襯底的周期性,故通過(guò)有效控制襯底的波紋周期,可以實(shí)現(xiàn)CulnP2S6中鐵電條紋疇密度的調(diào)控。

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圖1二維CulnP2S6中大尺度鐵電疇的人工構(gòu)建。

(a)周期性襯底應(yīng)力工程流程示意圖。

(b)大尺寸波紋狀二維CulnP2S6的光學(xué)圖片,插圖為選區(qū)PFM相位圖。


在微觀上, CulnP2S6中撓曲電效應(yīng)調(diào)控電極化的行為可以使用不對(duì)稱(chēng)的畸變Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)雙勢(shì)阱模型進(jìn)行解釋。基于第一性原理計(jì)算,研究團(tuán)隊(duì)得到了CulnP2S6的勢(shì)能分布圖,發(fā)現(xiàn)在平坦CulnP2S6的勢(shì)能分布圖中,對(duì)Cu+離子的面外方向遷移而言具有對(duì)稱(chēng)的雙勢(shì)阱,電極化具有簡(jiǎn)并的基態(tài)。


在彎曲的CulnP2S6中,引入的應(yīng)變梯度打破了這一雙勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,從而實(shí)現(xiàn)電極化的選擇性調(diào)控。為了進(jìn)一步理解彎曲應(yīng)變對(duì)Cu+離子極化位移的調(diào)控,研究者還對(duì)比了相同波紋結(jié)構(gòu)CulnP2S6中條紋疇和非條紋疇的總能。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,條紋疇的相對(duì)穩(wěn)定性隨著波紋CulnP2S6曲率的增加而提高。


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圖2 基于第一性原理計(jì)算獲得的雙勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的勢(shì)能曲線。

(a)彎曲的CulnP2S6具有不對(duì)稱(chēng)勢(shì)能分布圖。

(b)平整的CulnP2S6具有對(duì)稱(chēng)勢(shì)能分布圖。


研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)襯底應(yīng)力工程,在二維CulnP2S6中成功地引入了巨大的應(yīng)變梯度,在無(wú)外電場(chǎng)條件下,利用撓曲電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了體系中鐵電極化狀態(tài)的調(diào)控,并演示了大尺度上人工鐵電條紋疇的構(gòu)筑。結(jié)合第一性原理計(jì)算,他們通過(guò)不對(duì)稱(chēng)的畸變LGD雙阱模型揭示了二維CulnP2S6中撓曲電效應(yīng)調(diào)控鐵電極化的內(nèi)在機(jī)制。


儀器使用評(píng)價(jià)


這項(xiàng)研究中我們使用了HORIBA LabRAM HR Evolution激光拉曼光譜儀和SmartSPM 1000原子力顯微鏡。(點(diǎn)擊查看更多產(chǎn)品詳情


拉曼光譜儀配置了100倍的物鏡,使用功率為150μW 的532nm激光,研究中主要用于驗(yàn)證CulnP2S6的晶格結(jié)構(gòu)。這款拉曼光譜儀的高光譜分辨率和超快速共焦成像功能,可以幫助我們確認(rèn)所使用的CulnP2S6樣品的拉曼特征模式與單晶CulnP2S6完全一致。


另一方面我們使用原子力顯微鏡在近共振增強(qiáng)模式下對(duì)CulnP2S6的鐵電疇進(jìn)行PFM測(cè)量。在針尖-樣品的諧振頻率(~270kHz)下,用1V的交流電壓驅(qū)動(dòng)鍍有Pt/Ir的軟針尖。


在本研究中需要進(jìn)行PFM測(cè)量的CulnP2S6樣品在波紋PDMS襯底上,由于襯底具有較大的柔性,且CulnP2S6的條紋疇周期較小,因此需要精確度和穩(wěn)定性都比較高的測(cè)量?jī)x器。


SmartSPM 1000原子力顯微鏡不僅操作簡(jiǎn)便、有多種測(cè)量模式,還可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的掃描,幫助我們?cè)谖⒂^尺度上觀察到CulnP2S6的條紋疇,證明我們?cè)跓o(wú)外場(chǎng)條件下成功構(gòu)建大尺度均勻的人工鐵電疇。同時(shí)其獨(dú)有的PFM-Top Mode減少了針尖與樣品接觸的時(shí)間,從而降低了針尖對(duì)樣品破壞的風(fēng)險(xiǎn)。


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課題組配備的激光拉曼光譜儀和原子力顯微鏡


如果您對(duì)上述產(chǎn)品感興趣,歡迎掃描二維碼留言,我們的工程師將會(huì)及時(shí)為您答疑解惑。


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課題組簡(jiǎn)介


曾華凌教授,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),微尺度物質(zhì)科學(xué)研究中心

主要研究方向?yàn)榈途S物理系統(tǒng)中新奇物理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)探索,具體包括低維材料中的電子態(tài)結(jié)構(gòu)研究及量子態(tài)調(diào)控、新型二維半導(dǎo)體的探索及光電性質(zhì)研究、基于NV色心光磁共振譜的量子測(cè)量和納米光學(xué)等。


文獻(xiàn)信息


原文標(biāo)題:

Large-Scale Domain Engineering in Two-Dimensional Ferroelectric CuInP2S6 via Giant Flexoelectric Effect


發(fā)表期刊:

Nano Letters

文章署名作者:

Chen Chen, Heng Liu, Qinglin Lai, Xiaoyu Mao, Jun Fu, Zhaoming Fu, and Hualing Zeng



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